技术热点 | Abaqus在骨科植入领域的应用

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技术热点 | Abaqus在骨科植入领域的应用

背景介绍

Background

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骨科植入物是骨外科手术治疗中广泛使用的医疗器械，它的品质对治疗效果具有重要的作用。在骨科学与工程学长期交叉融合的基础上，骨科植入物的设计制造已形成完整的知识体系，并伴随医学与数字技术的发展与时俱进。

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering,CAE）是数字设计技术的重要组成部分。当产品的几何设计完成后，使用专业软件对设计进行相关的分析，例如力学分析、场分析、模态分析和结构优化等。

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骨科植入领域

髋关节置换术

从20世纪50年代末开始，人们开始用人造或假体代替受损和患病的髋关节。全髋关节置换手术包括切除股骨头部和上部，以及股骨剩余部分顶部的部分骨髓，在股骨中心的孔内固定有金属锚固杆，其另一端是关节的球部。另外，更换的杯座必须安装在骨盆上。

       髋关节置换术是目前最常见的骨科手术，但患者的短期和长期满意度差异很大。在发达国家，全髋关节置换术的发生率各不相同，大约0.8%的美国人接受过这种手术，由于生活方式的普遍改变(缺乏锻炼，肥胖)，手术的数量正在上升。

现存问题

医疗产品的开发和验证非常依赖物理方法——无论是台架试验、尸体试验、动物试验还是人体试验。 通常很难或不可能在体外试验中复制体内条件，因此有必要进行足够的试验“对象”，以有效地在目标人群中跨越治疗的应用范围。 这需要巨大的费用和时间——而且一种疗法仍然没有完全得到验证，因为这种疗法的测试案例数量总是不完整的——因此，它总是在患者认为“可以接受”的风险下交付市场。下图是目前常规的植入物设计和认证流程：

       试想一下，某公司目前有一个新的植入体，总共设计了200个不同的几何变体。 按照认证规则，每个变体都需要在工作台上进行测试。假设有40个测试台可用，每个植入物的测试时间为12天，大约60天的工作台测试时间才能完成测试。 因此，新的植入物系列的认证需要超过60天，直到最终设计出来。

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仿真解决方案

CAE技术

使用CAE技术则可以让这个过程大大加快，每个设计都是虚拟测试，而不是工作台测试。 因此，通过仿真，每个变体的测试时间可以从12天减少到少于5分钟。 在这种仿真驱动设计的方法中，只有性能最差(但实际上仍然合格)的变体在工作台上对所有这些变体进行代表性的测试。 因此，仅使用一台测试机器就可以在不到两周的时间内完成整个认证。

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